机电一体化实例
套缸(全自动)洗衣机的分析和改进
洗衣机的现实意义：现代人的生活，除了拼命工作挣钱，剩下的宝贵时间都要来吃喝玩乐或学习深造，没有什么人愿意在洗衣这种事情上耗费精力，于是洗衣机成为家庭主妇和单身贵族都必不可少的好帮手，不过在对生活质量有了更高的要求和更多的追求之后，人们对洗衣机的要求已经不仅仅局限于洗干净衣服了，外观美观，使用方便，省水，节电，运转宁静，衣服磨损小等要求，一个也不能少，那样对用户来说就没有挑剔的余地。为了满足市场的需求和人们生活水平的提高，洗衣机已经成为不可或缺的家电产品。
一：套缸(全自动)洗衣机基本结构、分析及其工作原理
1．1：套缸（全自动洗衣机）基本结构
套缸(全自动)洗衣机由洗涤系统、传动系统、给（排水）系统、支承系统、控制系统和箱体组成。还包括安全开关、注水阀、水位开关、电源开关、电子程控器、排水阀电磁铁、减速离合器和电机等部分。
（1）洗涤系统：套缸(全自动)洗衣机的洗涤系统由盛水捅、脱水桶、盛水桶罩、波盘等组成。它的洗涤系统包括脱水系统。盛水桶既作洗涤桶用又作脱水缸用。
（2）传动系统：套缸（全自动）洗衣机的传动系统由减速离合器、皮带轮、传动皮带、电动机、波轮等组成。
电动机的动力经传动皮带、减速离合器传递给波轮和脱水桶，实现洗涤和脱水。其洗涤和脱水的转换，是利用离合器的组件、抱簧和制动杆来实现的。
（3）支承系统和箱体：套缸（全自动）洗衣机的箱体一般采用1mm左右的薄钢板制成。箱体背面开口，顶部和底部四个角设角撑，上角撑与吊杆连接，下角撑装有支承脚体。
支承系统的四根吊杆把整个箱体及传动机构一起吊压在箱体的四角。支撑杆总成包括减振弹簧，一般洗衣机采用阻尼筒。
（4）给、排水系统：套缸（全自动）洗衣机的进水管一头接在进水龙头上，另一头接在进水电磁阀上，由程控器电磁阀控制。
套缸（全自动）洗衣机的排水系统有电磁铁牵引器和排水阀体组成。电磁铁牵引器由程控器控制。排水时，电磁铁牵引器将排水阀的排水水封拉到一定的位置，使洗涤液体通过排水口排出机外，排水结束后，电磁铁牵引器断电，排水阀心弹簧复位，拉动排水水封堵住了排水口，完成整个排水过程。
（5）控制系统：套缸（全自动）洗衣机的控制系统由程序控制器、电源开关、水位开关、安全开关等组成。核心是电动程序控制器。洗衣机的进水、洗涤、漂洗、排水、脱水等全过程由控制系统控制洗衣机，按照设定程序进行工作。
1．2：套缸（全自动）洗衣机的工作原理
以国产XZ---1A型电动程序控制器为例：
1.2.1：电动程序控制器：该程序控制器备有长、短两个周期的工作时间。长周期为26min ，其编程为 进水 → 洗涤 → 排水 → 漂洗 → 排水 → 脱水 → 关机；短周期为19min ，其编程和长周期相同。
1.2.2：电动程序控制器的工作原理如图(3)所示：当洗衣机接上电源时，指示灯亮，此时程序控制器接通电源，洗衣机全程序电源接通，按照编程顺序。
进水电磁阀ZF 开启进水，此时电流回路为 火 → A — a1 → B → b1 → C →c2 → QK — 1 → QK → 3 → ZF → 0；当进水达到预定的位置时，水位选择检测器的贮气室压强增大，导致开关触点QK — 1，由QK — 3 向QK — 2 转换，进水电磁阀断电而停水。同时驱动微电机TD 得电，洗衣机进入洗涤过程，波轮以正转→停→反转的程序运转。
一般
衣料
细薄衣料
转向凸轮
程
控
器
马
达旋
钮
推入旋钮拉出开关凸轮进水凸轮排水凸轮马达凸轮220
水位开关
）
（水已足水不足
磁吸线圈排水阀磁吸线圈进水阀
限干洗洗和漂
联接凸轮备用水凸轮备用凸轮排完留水
水漂完排减速
洗衣马达减速图1
XZ---1A 型程序控制器由凸轮组电气原理如图所示
换向
三联四
联
XZ ——1A 型程序控制器凸轮组接线图(2)
洗衣机的“中”挡电路为：
火 → A — a2 → B → b1 → C → c2 → QK — 1 → QK — 2 → E — Q1
→ G — g2 → BD → 地 （正转）
→ TD — D → G — g0 （停转）
→ E → → G — g1 → E — e1 → BD → 地 （反转）
→ D — D — d2 → G → g0 （停转）
电动程序控制器工作原理图(3)
当洗涤结束时：触点C — c2、D —d2 、E — e1在各自的凸轮盘控制下分断，使洗涤电动机失电而停转；同时，C — c1、D —d0、 E — e1转换接通，使排水电磁阀PE 得电开启，洗衣机进入排水程序。
电流回路为：
→E — e2 →E →TD →地
火→ A — a2 →B →b1 → C →
→C →c1 →PF →地
电磁阀开启排水后：由于桶内水位降低，水位检测开关QK内的密闭气室的气压减弱，使内部触点QK — 1自动复位转换到QK — 3的位置上，为下一个漂洗程序的进水操作准备。待排水程序终了时，触点C — c1、D —d0、 E — e1又在各自的凸轮盘控制下同时分断，使C — c2、D —d2、 E — e1同时恢复常态，开始进入漂洗过程。微电机TD由于QK的分断而停止运行，待桶内达到一定的水位后，重复上述的过程。
当最后一个排水的过程快要结束时，触点D在其凸轮盘的指令下，从D—d0跳到D—d1，使电磁蜂鸣器得电发出音响信号，电流回路为
火→ A — a2 →SK — 3 →SK — 1 → A — a0 → A
→TD →地
→ E — e2 → E
→B —b1 →C →→ D → D —d1 →FM →地→ C —c1 →P F →地
此时触点A在其组凸轮盘的指令下与A — a1分离跳位至 A — a 挡（停），整机的电源输入通路被切断，全程洗衣结束。
简而言之，套缸（全自动）洗衣机工作时，首先由程序控制器进水电磁阀向桶内
注水，达到预定水位时，水位压力传感器发出停止进水信号，同时进入洗涤程序，洗涤结束后程序控制器排水电磁阀动作，牵引排水阀，拉动排水水封进入排水，排水结束后进入脱水程序。脱水结束后，进入漂洗程序，在自动转入脱水程序。脱水完毕后，蜂鸣器发出音响信号，全程序洗衣过程结束。
二：分析该洗衣机实现方案的特点
2．1它采用波轮传动，其传动部分除了皮带传动外，好辅助齿轮减速装置，因
此，实现了低速转动和频繁转换。具有磨损小、不缠绕洗涤物、洗净度很高的优点
2．2：电动程序控制全自动洗衣机的控制器：由一个微型电动机驱动几组凸轮系
统，控制弹簧片触点的开断来实现程序控制动作。这样传动的路线过长，机械传动可靠性不高，往往因为一个部件的磨损会影响到洗衣机的效率，甚至寿命。因此，可靠性和寿命不高。
2．3：洗涤程序单一，无法根据衣服的衣料、衣量、赃污的程度，通过洗衣机分析和计算处理后，寻找合适的程序自动完成洗涤、脱水和干燥的全过程。
2．4：在传动系统中存在弊端：其具体结构是由多孔的脱水桶和储水的外桶组成，
脱水时，脱水桶高速旋转，水被甩到外桶后经过管道排出，如图所示，脱水桶和外桶的空间不能存放任何洗涤衣物，是无效的空间，这个无效的空间约为脱水的有用空间的1/2，当洗涤时，这部分无效的空间和脱水桶同样充满水，所耗费的水和洗涤剂时非常可观的
主要存在以下的问题：（a）对于泥沙，因为洗涤时已经沉在脱水桶的底部，并且比重比水重，较难向上排出；（b）脱水桶与外桶之间的无效空间仍然存在，还增加了脱水桶和内桶之间的无效空间，且水和沙要往上排出，脱水桶桶壁要有一定的斜度，则洗涤的容量小于普通的洗衣机；（c）全自动洗衣机因为重心在底部，且脱水桶与外桶是在底部安装结合的，即底部的刚度大，脱水时桶底部的振幅小于顶部，因而，外桶顶部与体之间，脱水桶和外桶之间均要留有足够的空隙，防止振动时相互撞击，着就是无效空间的来源，当脱水桶的底部小、顶部大时，无效空间就更大。
三：对上面的洗衣机进行改进。
3．1对传动系统弊端进行改进，设计成为节水新结构针对现有的技术所存在的问题，设计一种新的方法，利用脱水桶壁斜度的变化，使桶壁对水产生的向心力的分力与重力一致，达到顺利排出泥沙、扩大洗涤容量、节水的目的。
如图是新的节水洗衣机结构，其特征在于：用一个底部直径较大、顶部直径较小的脱水桶兼洗涤桶，脱水桶的桶壁没有常规的排水孔，当洗涤完成后，牵引器动作，排水阀被打开，水往桶底中心附近的空排出到排水管道。排水管路在脱水桶与底盘总成之间有密封圈防止洗涤时水的泄露。当脱水时，洗涤物所含的水在离心力的作用下
往桶壁的方向运动，当碰见桶壁后，水受到桶壁的压力
F的作用，压力N F是垂直于
N
桶壁的，因为桶壁向下倾斜，故
F在垂直的方向上有向下的分力，于垂直的方向一
N
致，水在压力与重力的合力的作用下沿着桶壁流到底部，在桶壁底部装有离心式排水阀（对称安装）。是两种不同类型的排水阀，桶不旋转时，A类阀在弹簧的压力下起密封的作用，B类阀在自重以及水的压力下起密封作用；桶高速旋转时，阀在离心力的作用下被打开，水通过阀流向底盘总成，然经排水管流出。
节水新结构图
这种新结构有以下优势：（1）没有外桶，所以没有无效的空间，大大降低了水和洗涤剂的用量；（2）水往下排出，与重力的方向一致，可保证泥沙的顺利流出；（3）洗涤的动力在脱水桶的底部，而新结构脱水桶底部的空间最大，因此洗涤容量大、效率高；
（4）洗衣机重心在底部、且底部刚性大脱水时桶底部的振幅小于顶部，新结构正好是底部尺寸大于顶部，因此，脱水桶直径可做的稍大一些，洗涤量也更大。
3．2对节水新结构进行受力分析，并分析其优越性
3．2．1桶壁的倾斜度分析
新结构所受的力如上图所示，主要是水的重力W ，水和桶壁之间的摩擦力f ，桶壁对水的压力F n 。一般脱水桶的转速约为n=800rpm ，w=83.7rad/s ，半径约为r=200mm ，W=mg 。设计时研究桶壁与铅直方向的夹角θ为多大，才能满足迅速排水和容量尽量大的双重目的。根据受力图可列出以下的方程
θ
θcos sin 2?=?+mrw W F n （1）θ
ωθsin cos 2?-=-?mr ma f W （2） a 为水沿着桶壁的方向流动的加速度值。当桶静止时，水给桶的压力相当于一个大气压的作用。在重力及摩擦力j f 的作用下，水仍可以沿桶壁穿过衣物流动，此时，同静
止的加速度j a >=0,故有
0cos ≥=-?j j a f W θ
即
j f W ≥?θcos
脱水时，水给桶壁的压力大小等于Fn ，因为很小2ωmr F n ≈，而阻力可认为主
要是水的动力黏度引起，根据流体力学原理，普通的压力对液体的黏度几乎没有影响，在510工程大气压下，水的黏度增加到一个工程大气压的2倍，保险起见，取θcos 22??==mg f f j ，要向下排水顺畅，可取a>=g ，所以
g g r a ≥?-?=θθωcos sin 2 （3）
由于水沿着桶壁流动时，受到衣物的阻挡，衣物由一定密度的纤维组成，水穿过衣物可近似认为是流动截面变宽，而截面变窄导致动力损失，起最大阻力系数为0.5，简单起见，假设这个过程中加速度损失一半，式（3）可变为
g g r a ≥?-?=)cos sin (5.05.02θθω
则
022.1/3≈≥ωθr g
3．2．2离心式排水阀的设计
离心排水阀在洗涤时起密封的作用：洗涤时波轮转速n ≈200rpm ，洗衣机一般为h=0.5m ，排水管的直径约0.06m ，面积约为0.003m 。此时，阀体处最大静水压是Pa gh 4900≈ρ，动态水压Pa V 88202≈ρ。对于A 型阀，假设动态水压全部作用在排水阀上与弹簧顶压力相反的方向，静水压是有利于密封的，则可设弹簧的预压力
离心排水阀的受力分析图
f=25.6N ，设弹性系数为k ，重力所做的 功很小，可不给予考虑，则阀体质量1M 与弹性系数的关系为
2/)(2/212221?-?=k r M ω
这里, 06.0,/1211+?=?=?k F
得到： 2211/)0036.012.0(ωr k F M +=
若取 K=1000N/m,则:M1=0.024kg
对于B 阀，对球的直径为d >0.06m ，脱水时离心力222ωr M F =,则有：
b g M h F ?=?22
得
,8.142//2==g r h b ω h=0.21mm
相对与b ，h →0。也即球的直径只要比排水口的直径稍大即可。约为4900pa 。动态水压8820Pa ，设其合力作用点在半球截面的重心，作用面积为1/2球截面面积，保证洗涤时有良好密封条件的球的质量为:
ππ3/28/8820)003.04900(22d d b g M ??=??+
因为球的半径趋近与b 。近似用b 代替，则有
3.56/88207.1422=?=+d g M
上式说明：只要球的直径控制的好，球的重量很轻就可以起到很好的密封
3． 3把电动程序控制器改进成为电脑程序控制器
3．3．1：因为电脑程序控制器的全自动洗衣机可采用单片微处理器，其执行机构的开关元件采用晶闸管或继电器。进水电磁阀、排水阀、水位压力传感器等其他元件与电电控制全自动洗衣机原理相同。但相比之下，电脑程序控制的全自动洗衣机具有功能齐全、无电火花、安全可靠、使用寿命长等优点。其方案如下：
3．3．2：电脑程序控制器：它是一块电脑板，包括单片机和双向晶闸管等电子元件器件组成。以单片机作为控制中枢，其内部有按照功能要求已编程的掩膜ROM 。由单片机控制执行元件，既双向晶闸管或继电器的通与断形成各个电路的回路，控制洗衣机的运转。
如下电脑的控制器原理为：
洗涤工序：按启动键，水位 → IC23 → IC15 → 三极管 T6 → 双向晶闸管TR1 → 进水电磁阀，则洗衣机开始进水。当达到预定水位时，水位开关的触片转换水位开关 → IC23、C12 → 三极管T3 → 双向可控硅TR4 → 1，则电动机反转；或 IC15 → 三极管T4 →双向晶闸管TR3 → 2，则电机顺转。
正反转中的停顿间歇由IC 内部控制。
当达到预选洗涤的时间后,IC14 → 三极管T5 → 双向晶闸管TR2 → 排水电磁阀；洗衣机进入排水工序，同时IC12、13无输出，电动机停转。
排水开始后，盛水桶内的水位下降，当水位降到一定的位置时，水位开关触片转换，洗衣机转入脱水工序。
水位开关 → IC23脚 →IC13 脚→三极管 T4→双向晶闸管 TR3→1电动机顺转 →
门盖开关C23脚 →IC14脚→三极管 T5→双向晶闸管 TR2→2脚→排水电磁阀
进水
电机反转
电机正转电磁铁进水阀 全自动洗衣机电脑程序控制器原理图
达到预定脱水时间后,IC18 → 三极管T7 → 三极管T2 → 蜂鸣器。此时蜂鸣器连续鸣叫10次（以一秒为一次），告知使用者整个洗涤工作结束。